Физические и химические свойства водорода

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Водород – первый элемент Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Символ – Н.

Атомная масса – 1 а.е.м. Молекула водорода двухатомна – Н₂.

Электронная конфигурация атома водорода – 1s¹. Водород относится к семейству s-элементов. В своих соединениях проявляет степени окисления -1, 0, +1. Природный водород состоит из двух стабильных изотопов – протия ¹Н (99,98%) и дейтерия ²Н (D) (0,015%) – и радиоактивного изотопа трития ³Н (Т) (следовые количества, период полураспада – 12,5 лет).

Химические свойства водорода

При обычных условиях молекулярный водород проявляет сравнительно низкую реакционную способность, что объясняется высокой прочностью связей в молекуле. При нагревании вступает во взаимодействие практически со всеми простыми веществами, образованными элементами главных подгрупп (кроме благородных газов, B, Si, P, Al). В химических реакциях может выступать как в роли восстановителя (чаще), так и окислителя (реже).

Водород проявляет свойства восстановителя (Н₂⁰ -2е → 2Н⁺) в следующих реакциях:

1. Реакции взаимодействия с простыми веществами – неметаллами. Водород реагирует с галогенами, причем, реакция взаимодействия со фтором при обычных условиях, в темноте, со взрывом, с хлором – при освещении (или УФ-облучении) по цепному механизму, с бромом и йодом только при нагревании; кислородом (смесь кислорода и водорода в объемном отношении 2:1 называют «гремучим газом»), серой, азотом и углеродом:

H₂ + Hal₂ = 2HHal;

2H₂ + O₂ = 2H₂O + Q (t $^{\circ}$ );

H₂ + S = H₂S (t $^{\circ}$ = 150 – 300 $^{\circ}$ C);

3H₂ + N₂ ↔ 2NH₃ (t $^{\circ}$ = 500 $^{\circ}$ C, p, kat = Fe, Pt);

2H₂ + C ↔ CH₄ (t $^{\circ}$ , p, kat).

2. Реакции взаимодействия со сложными веществами. Водород реагирует с оксидами малоактивных металлов, причем он способен восстанавливать только металлы, стоящие в ряду активности правее цинка:

CuO + H₂ = Cu + H₂O (t $^{\circ}$ );

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O (t $^{\circ}$ );

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O (t $^{\circ}$ ).

Водород реагирует с оксидами неметаллов:

H₂ + CO₂ ↔ CO + H₂O (t $^{\circ}$ );

2H₂ + CO ↔ CH₃OH (t $^{\circ}$ = 300 $^{\circ}$ C, p = 250 – 300 атм., kat = ZnO, Cr₂O₃).

Водород вступает в реакции гидрирования с органическими соединениями класса циклоалканов, алкенов, аренов, альдегидов и кетонов и др. Все эти реакции проводят при нагревании, под давлением, в качестве катализаторов используют платину или никель:

CH₂ = CH₂ + H₂ ↔ CH₃-CH₃;

C₆H₆ + 3H₂ ↔ C₆H₁₂;

C₃H₆ + H₂ ↔ C₃H₈;

CH₃CHO + H₂ ↔ CH₃-CH₂-OH;

CH₃-CO-CH₃ + H₂ ↔ CH₃-CH(OH)-CH₃.

Водород в качестве окислителя (Н₂ $^{\circ}$ +2е → 2Н^—) выступает в реакциях взаимодействия со щелочными и щелочноземельными металлами. При этом образуются гидриды – кристаллические ионные соединения, в которых водород проявляет степень окисления -1.

2Na +H₂ ↔ 2NaH (t $^{\circ}$ , p).

Ca + H₂ ↔ CaH₂ (t $^{\circ}$ , p).

Физические свойства водорода

Водород – легкий бесцветный газ, без запаха, плотность при н.у. – 0,09 г/л, в 14,5 раз легче воздуха, t_кип = -252,8 $^{\circ}$ С, t_пл = — 259,2 $^{\circ}$ С. Водород плохо растворим в воде и органически растворителях, хорошо растворим в некоторых металлах: никеле, палладии, платине.

По данным современной космохимии водород является самым распространенным элементом Вселенной. Основная форма существования водорода в космическом пространстве – отдельные атомы. По распространенности на Земле водород занимает 9 место среди всех элементов. Основное количество водорода на Земле находится в связанном состоянии – в составе воды, нефти, природного газа, каменного угля и т.д. В виде простого вещества водород встречается редко – в составе вулканических газов.

Получение водорода

Различают лабораторные и промышленные способы получения водорода. К лабораторным способам относят взаимодействие металлов с кислотами (1), а также взаимодействие алюминия с водными растворами щелочей (2). Среди промышленных способов получения водорода большую роль играют электролиз водных растворов щелочей и солей (3) и конверсия метана (4):

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑ (1);

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] +3 H₂↑ (2);

2NaCl + 2H₂O = H₂↑ + Cl₂↑ + 2NaOH (3);

CH₄ + H₂O ↔ CO + H₂ (4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

При взаимодействии 23,8 г металлического олова с избытком соляной кислоты выделился водород, в количестве, достаточном, чтобы получить 12,8 г металлической меди Определите степень окисления олова в полученном соединении.

Решение

Исходя из электронного строения атома олова (…5s²5p²) можно сделать вывод, что для олова характерны две степени окисления — +2, +4. На основании этого составим уравнения возможных реакций:

Sn + 2HCl = H₂ + SnCl₂ (1);

Sn + 4HCl = 2H₂ + SnCl₄ (2);

CuO + H₂ = Cu + H₂O (3).

Найдем количество вещества меди:

v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 моль.

Согласно уравнению 3, количество вещества водорода:

v(H₂) = v(Cu) = 0,2 моль.

Зная массу олова, найдем его количество вещества:

v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 моль.

Сравним количества вещества олова и водорода по уравнения 1 и 2 и по условию задачи:

v₁(Sn): v₁(H₂) = 1:1 (уравнение 1);

v₂(Sn): v₂(H₂) = 1:2 (уравнение 2);

v(Sn): v(H₂) = 0,2:0,2 = 1:1 (условие задачи).

Следовательно, олово взаимодействует с соляной кислотой по уравнению 1 и степень окисления олова равна +2.

Ответ

Степень окисления олова равна +2.

ПРИМЕР 2

Задание

Газ, выделившийся при действии 2,0 г цинка на 18,7 мл 14,6%-ной соляной кислоты (плотность раствора 1,07 г/мл), пропустили при нагревании над 4,0 г оксида меди (II). Чему равна масса полученной твердой смеси?

Решение

При действии цинка на соляную кислоту выделяется водород:

Zn + 2НСl = ZnСl₂ + Н₂↑ (1),

который при нагревании восстанавливает оксид меди (II) до меди (2):

СuО + Н₂ = Cu + Н₂О.

Найдем количества веществ в первой реакции:

m(р-ра НСl) = 18,7^.1,07 = 20,0 г;

m(НСl) = 20,0^.0,146 = 2,92 г;

v(НСl) = 2,92/36,5 = 0,08 моль;

v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 моль.

Цинк находится в недостатке, поэтому количество выделившегося водорода равно:

v(Н₂) = v(Zn) = 0,031 моль.

Во второй реакции в недостатке находится водород, поскольку:

v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 моль.

В результате реакции 0,031 моль СuО превратится в 0,031 моль Сu, и потеря массы составит:

m(СuО) — m(Сu) = 0,031×80 — 0,031×64 = 0,50 г.

Масса твердой смеси СuО с Сu после пропускания водорода составит:

4,0-0,5 = 3,5 г.